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GPS授时系统.docx
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GPS授时系统
GPS授时系统设计
摘要:
使用GPS25一LVSOEM板(接收机)接收卫星信号,通过串口异步通信把数据传送给89C51单片机,单片机通过并口控制LED显示,从而实现GPS准确授时.同时,介绍了GPSOEM板输出的数据形式,并采用NMEA_0183格式中最常用的“$GPGGA”格式输出,由“$G—PGGA”数据输出格式可编写出相关的接收程序.
关键词:
GPS授时;0EM板;秒脉冲
0引言
时间信号的准确与否,直接关系到人们的日常生活、工业生产和社会发展.人们对时间精度的要求也越来越高.天文测时所依赖的是地球自转,而地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间(世界时)精度只能达到
,“原子钟”精度可达
.因此“原子钟”广泛运用到精密测量和日常生活、生产领域.GPS接收机授时系统是利用接收机接收卫星上的“原子钟”时间信号,然后把数据传输给单片机进行处理并显示出时间,由此可制作出GPS精密时钟.目前已有专门用于授时的授时型接收机,可以提供ns级的精确时间,但由于其价格昂贵,多数用户难以接受,因此无法普及.本文采用具有定时功能的GPS0EM板的串口输出的协调世界时进行授时,可提供经济、实用、准确的公众时间,避免了因时钟不准确给生活、生产带来的不便..
0.1GPS系统简介
1973年12月,美国国防部组织陆海空三军联合研制新一代的卫星导航系统:
“NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem”,意为“卫星测时测距导航全球定位系统”,简称GPS。
原系美国国防部军事系统中的一个组成部分,现已广泛应用于航海、航天、测量、通信、导航、智能交通等诸多领域。
它是新一代精密卫星定位系统,是现代科学技术迅速发展的结晶。
GPS是一种全球性、全天候的卫星无线电导航系统,可连续、实时地为无限多用户提供。
由于GPS定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点,因而己成为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球精密授时、测距和导航定位系统。
这个系统向全球范围内的用户提供高精度的三维位置和精密时间信息。
0.2GPS系统的组成
GPS系统主要由3大部分组成,即空间星座部分、地面控制部分和用户设备部分(图0-1)。
图0-1GPS系统的组成
(1)、空间星座部分
GPS空间卫星星座,由24(3颗备用卫星)颗卫星组成。
卫星分布在6个轨道面内,每个轨道上分布有4颗卫星,如图0-2所示。
卫星轨道面相对地球赤道的倾角约为
,各轨道面升交点的赤经相差
。
在相邻轨道上,卫星的升交距相差
。
轨道平均高度
约为20200km,卫星运行周期为11小时58分钟。
因此,在同一观测站上,每天出现的卫星分布图形相同,只是每天提前4分钟。
每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上,同时位于地平线以上的卫星数目,随时间和地点而异,最少为4颗,最多时可达11颗。
GPS卫星空间星座的分布保障了在地球上的任何地点、任何时刻至少有4颗卫星被同时观测,加上卫星信号的传播和接收不受天气的影响,因此,GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。
空间部分的3颗备用卫星,可在必要时根据指令代替发生故障的卫星,这对于保障GPS空间部分正常而高效地工作是极其重要的。
图0-2GPS系统空间卫星星座
(2)、地面监控部分
对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。
星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。
每颗GPS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。
卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都是由地面设备进行监测和控制的。
地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。
这需要地面站监测各颗卫星的间间,求出钟差,然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户。
GPS工作卫星的地面监控部分,目前由分布在全球的5个地面站组成,其中包括1个主控站、3个注入站和5个监测站,如图0-3所示。
监测站:
用GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差,采集气象数据,并将观测数据传送给主控站;主控站:
主控站接收各监测站的GPS卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站自身的工作状态数据。
根据上述各类数据,及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站,控制和协调监测站间、注入站间的工作,检验注入卫星的导航电文系统,诊断卫星工作状态,完成各类相关工作;注入站:
接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。
整个GPS的地面监测部分,除主站外均无人值守。
各站间用现代化的通讯网络联系起来,在原子钟和计算机的驱动和精确控制下,各项工作实现了高精度的自动化和标准化。
图0-3GPS地面监控部分
(3)、用户设备部分
GPS的空间部分和地面监控部分,是用户应用该系统进行定位的基础,而用户只有通过用户设备,才能实现应用GPS定位的目的。
根据GPS用户的不同要求,所需的接收设备各异。
随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大,许多国家都在积极研制、开发适用于不同要求的GPS接收机及相应的数据处理软件。
用户设备主要由GPS接收机硬件和数据处理软件,以及微处理器及其终端设备组成。
GPS信号接收机的硬件一般由主机、天线、和电源组成。
主要功能是接受GPS卫星发射信号,以获得必要的导航和位置信息及观测量,并经简单的数据处理而实现实时导航和定位;GPS软件部分是指各种后处理软件包,其主要作用是观测数据进行加工,以便获得精密定位结果。
GPS接收机的基本结构如图0-4所示。
图0-4GPS接收机基本结构
0.3GPS授时原理及同步技术
GPS授时有着广泛的应用。
从日常生活到航天发射,从出外步行到航空航海,都离不开授时。
随着使用目的的不同,人们对时间准确度的要求也不一样。
GPS卫星都安装有四台原子钟,GPS时间受到美国海军天台(USNO)经常性的监测。
GPS系统的地面主控站能够以优于±5ns的精度,使GPS时间和世界协调时UTC之差保持在±1s以内。
此外,GPS卫星还向用户播发它自己的钟差、钟速和钟漂等时钟参数,加之利用GPS信号可以测得站址的精确位置,因此,GPS卫星可以成为一种全球性的用户无限制的时间信号源,用于进行精确的时间比对。
利用GPS信号进行时间传递,一般采用以下两种方法:
(1)一站单机授时法。
即在一个已知位置测站上,用一台GPS信号接收机观测一颗GPS卫星,从而测定用户时钟的偏差。
如图0-5所示,在用GPS信号传递时间时,存在3种时间尺度(时标):
即GPS时间,每颗GPS卫星的时钟,用户时钟。
GPS授时的目的在于测定用户时钟相对于GPS时间的偏差,并根据GPS卫星导航电文的有关参数,计算出世界协调时UTC。
图0-5一站单机授时法
GPS时间传递,实质上是测量GPS信号从卫星到达用户的传播时间。
某颗GPS卫星在
时刻发射GPS信号初相,通过电离层和对流层到达用户接收天线的时刻
,则GPS信号的传播时间为
(0.1)
式中
为电离层和对流层时延。
GPS信号的发射时刻
可从导航电文解得。
从图0-5可见,
相对于GPS时间之差为
,且
(0.2)
可从导航电文中获得。
又
(0.3)
考虑到上两式,则得GPS信号接收机所得的传播时间
(0.4)
式中,
。
则用户时钟偏差为
(0.5)
上式即为一站单机的授时方程式。
当同时观测4颗GPS卫星时,一站单机授时法可以在不知测站坐标的情况下,同时测得用户时钟偏差和测站坐标。
(2)共视比对授时法。
即在两个测站上各安设一台信号接收机,在相同的时间内,观测同一颗GPS卫星,而测定用户时钟的偏差。
图0-6共视授时
图0-6的单颗GPS卫星共视授时法。
实验表明,两个测站共同见到同一颗卫星的时间并不要求严格同步,前后相差20分钟以内时,授时准确度无显著差别:
这为用户提供了方便,因此单星共视授时法获得了广泛的应用。
依式(0.5)可知,A、B两个测站所测得的用户时钟偏差分别为
(0.6)
通过数据传输而将测站A的用户钟差送到测站B,故知两个用户的钟差
(0.7)
上式中消除了GPS卫星的时钟偏差
。
实际传播时间
、
是依据测站位置和卫星位置而求得的,GPS卫星的星历误差将引起
的偏差;若其值为
,则
(0.8)
因此共视用户的钟差
(0.9)
从上式可知,共视授时法不仅能够消除卫星钟差,而且能够消除或削弱星历误差的影响,可达到±5ns的授时准确度,所以这种方法成为目前用GPS信号传递时间的主要方法。
0.4GPS时钟同步利用方式
0.4.1脉冲同步方式
脉冲同步方式,即同步时钟每隔一定的时间间隔输出一个精确的同步脉冲。
监控装置在接收到同步脉冲后进行对时,消除装置内部时钟的走时误差。
同步脉冲的周期、频率、电平、脉宽、脉冲的正负、上升和下降时间、同步的时刻等均可能有所变化。
根据脉冲输出接口的不同,同步脉冲分为有源TTL电平输出、无源空接点输出、固态继电器输出等。
有源TTL电平输出,即每隔一定的时间间隔产生一个TTL电平脉冲,或正脉冲或负脉冲,脉冲的宽度和占空比可以不同。
这种输出,用户可以直接引出同步信号,不必外加电源。
无源空接点输出,即将同步脉冲作为一开关量输出,一般是使用一个光电三极管,从集电极输出。
可根据应用要求,在同步时钟到来时,三极管由导通变截止,或由截止变导通。
1PPS(秒脉冲,即:
pulsepersecond脉冲/秒)输出,其是一个电平信号,一般以方波形式输出,高电平(也有较少数为低电平的)表示有秒脉冲输出,其持续时间很短,一般在毫秒量级上,其电平信号为+5V,持续时间为毫秒级,低电平(也有较少数为高电平的)表示没有信号输出。
高电平上升沿为1PPS输出的精确时刻。
在GPSOEM板取得有效导航解析的时候,秒脉冲上升沿的时刻与GPS时刻相差在50ns以内,与串行口输出的UTC标准时间相差在1us以内。
值得我们注意的是RS-232传输数据中UTC标准时间的输出较秒脉冲上升沿的时刻有一延时,即OEM板先为用户提供秒脉冲,再提供与该秒脉冲相对应的UTC标准时间。
GPS时间信号输出时刻关系如图0-7所示。
有时在没有收到卫星信号或导航解无效的情况下(即没有收到UTC的校正数据),OEM板通过开发工具板也能向外发送秒脉冲,但此时秒脉冲为GPSOEM内部未改正钟差、钟漂的原始时钟的时间,其上升沿的时刻不准确、不稳定,误差较大,无实用价值。
仅在取得正确导航解时才可以用UTC时间对GPSOEM内部时间进行校正,输出精确时间。
图0-7GPS时间信息示意图
脉冲对时方式具有简便准确的优点。
电站的故障录波器、继电保护自动装置、事件顺序记录仪等,均可使用脉冲同步方式,使用时将脉冲作为校时信号,在整时、整分、整秒时,脉冲沿作用于自动装置的时钟清零线,实现时钟的同步。
脉冲同步的缺点是不能直接提供时间信息。
但自动装置一般有自己的时钟,依靠本身的时钟提供时间信息即可,而不必由同步时钟来提供。
在故障测距、相位测量等装置使用1PPS时,一般需要同时使用串行口的时间信息,以确认1PPS同步脉冲所在的时刻。
0.4.2串行同步方式
串行同步方式是时钟以串行数据流的方式输出时间信息,各种自动装置接收每秒一次的串行时间信息获得时间同步。
串行通信的标准和格式多种多样,按信息码的格式不同,分别有ASCII码、IRIG-B码等。
按串行通信接口标准的不同,ASCII码有RS232C、RS422/485等方式,IRIG-B码有TTL直流电平码输出、1kHZ正弦波调制码输出、
MANCHESTER调制码输出等方式。
(1)、RS232/422/485串行接口输出
同步时钟通过RS232/422/485串行口在整秒、整分或整时,输出一次时间信息。
时间信息格式一般是由帧头、时、分、秒、日、月、年及结束符组成。
自动装置在接收到对时信号后,通过软件校正内部时钟。
使用串行口方式对时,比脉冲对时方式复杂。
受接收过程中信息处理时间的影响,对时精度差。
如果要提高对时精度,还需要再给出对时脉冲信号。
(2)、IRIG-B码串行输出
IRIG-B是美国最先采用的一种国际时间码标准。
目前电力系统中的许多进口装置均使用IRIG-B时间码获取时间信息,因此IRIG-B码制串行输出也应作为GPS同步时钟输出的一种可选形式。
IRIG-B信号有TTL直流电平码和1kHZ正弦波调制码两种形式。
每一码脉冲的宽度是10ms,通过改变直流电平占空比或变化1kHZ调制信号的幅值来表示逻辑“1”与“0”及标识符(帧起始符,相邻秒、分、小时、日期、数据的分隔符)。
起始位的上升沿即为同步时刻。
IRIG-BTTL直流电平码的分辨率为10ms,不加调制解调,使用方便,但只适于近距离传输。
1kHZ正弦波调制码的分辨率为1ms,适合远距离传输,这种正弦波调制码一般通过音频传输线路来传输数据。
所以本文认为,在装置硬件资源丰富的前提下可以考虑两种方案同时结合使用,即是将脉冲校时和串口校时结合起来的综合校时方案。
1、时钟同步系统硬件电路设计
1.1设计概要
本课题所设计的GPS时钟同步系统核心电路采用了单片机+CPLD相结合体系结构来完成,这种结构方式有效地克服单纯以单片机为控制核心和单纯以CPLD为控制核心的系统的缺点,并且把二者的长处最大限度地发挥出来。
在基于该体系结构的系统中,单片机担当控制的核心,而在CPLD中实现高速采集和单片机I/O端口扩展的作用,产生系统所需的各种数据和控制信号,从而去掉译码器、锁存器、缓冲器等分离元件,大大简化硬件连线,提高可靠性。
另外,系统中的纯数字电路,如计数、分频和一些基本逻辑功能都可以在CPLD中集成设计。
结合二者的长处,基于单片机+CPLD体系结构的时钟同步系统具备软硬件现场可编程、可靠性高、功耗低、保密性高、体积重量小等优点,设计分为硬件电路和软件设计。
本章主要针对硬件电路设计进行阐述。
1.1.1系统设计思路
系统(如图1.1所示)主要由GPS授时装置、主控制器、时间记录器和外围电路构成。
GPS授时装置每秒输出一个秒脉冲,与UTC标准时之间的误差较小,高精度授时型GPS模块输出秒脉冲的精度可以达到10ns以下。
晶振作为计时时钟,其短时精度非常高。
可以利用晶振无随机误差和GPS秒脉冲无累计误差的特点来设计本系统。
当瞬态信号到来时,时间记录器负责精确测量GPS脉冲信号的上升沿到的瞬态信号的上升沿之间的时差,采用合适的计数方法可以提高测量精度。
主控制器检测到瞬态信号到来后,会将测量数据读入并与已经解码的GPS秒级时间信息相整合,并根据基站ID对数据进行打包,然后将打包后数据存入存储器内,即使掉电数据也不会丢失。
试验结束后,外部设备可以通过接口将数据读出,也可以通过这接口向时间测量系统传送测试命令,对系统进行设置等操作。
图1-1系统硬件框图
1.1.2改进的时间值测量方法
在时钟同步系统中,频率基准的性能直接影响到整个系统的同步精度,而晶振的性能直接影响到测量精度和同步精度的好坏,本系统中采用的是50MHz的高精度晶体振荡器,但是正如第二章中对晶振的分析中提到的,其输出的频率或相位都有明显的随机起伏,而且存在着频率的线性漂移,造成较大的累计误差。
又由于不同的晶振,其频率基准也存在相对误差,所以必须对系统的晶振频率基准进行修正。
由于晶振的时钟频率存在一定的偏差和漂移,如果直接用晶振的输出时钟测量测时脉冲与秒脉冲之间的时间间隔,则很难达到很高的测时精度。
由于在短时间(1秒左右)内晶振的环境温度和工作电压一般波动很小,所以晶振的短时(1秒)稳定度要远优于整体精度,通常晶振的整体精度是短时稳定度的二十倍以上,一般来说总体精度1ppm
的晶振短时稳定度一般可以达到0.05ppm以下。
基于这一特点,我们提出一种改进的时间值测量方法,该方法克服了晶振的固定偏差和累积漂移对标准时测量精度的影响,只要晶振的短时稳定度较高,就可以达到很高的测量精度。
该时间值测量方法不是直接用晶振的输出时钟测量测时脉冲与秒脉冲之间的时间间隔,而是用晶振的输出时钟同时测量测时脉冲与秒脉冲之间的时间间隔和相邻两个秒脉冲之间的时间间隔,利用这两个时间间隔的相对比值测量时间值。
图1-2改进的时间值测量方法
改进的时间值测量方法如图3.2所示。
CPLD内部有一计数器,以高精度晶振的上升沿计数。
假设图二所示的两个秒脉冲(上升沿有效)到达时刻计数器的计数值分别为
和
,测时脉冲(上升沿有效)到达时刻计数器的计数值为M,晶振的时钟周期为T。
第一个秒脉冲与第二个秒脉冲之间的时间间隔为
,第二个秒脉冲与测时脉冲之间的时间间隔就是待测的秒以下的时间,记为
。
(1.1)
通常的时间值测量方法,即利用外部瞬态信号与第二个秒脉冲的计数值之差乘以晶振时钟周期计算时间
,如式(1.1)所示。
改进的时间值测量方法按式(1.2)所示计算时间,
与T无关,从而避免了晶振的固定偏差和累积漂移产生的误差。
(1.2)
1.2硬件设计
从前面的设计概要中我们可以了解到,本系统主要有由CPLD构成的时间值记录器、AVR单片机构成的控制处理器、GPS授时装置及其外围电路等组成。
1.2.1主控制器ATmega16L
微控制器是整个系统的核心单元,主要完成对GPS信息接收、时间值数据的处理以及与外设备的信息交换。
因此,对微处理器的选择既要考虑其运算速度、运算能力以及数据存储空间,又要考虑IO口的驱动能力以及片内程序空间的容量。
为此,本文设计的系统选择了ATMEL公司开发的一种低功耗、低电压、高新能的8位AVR处理器ATmega8。
ATmega16L是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微处理器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16L的数据吞吐率高达16MIPS/MHz,从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega16L具有很丰富的资源,16K的FLASH程序空间,无论是在功能上还是在处理速度性能都满足要
求。
图1-3单片机电路原理图
因此,ATmega16L的高速、高性能,丰富的外设资源非常适合本设计的要求,大部分数字电路都可以通过该单片机进行控制。
图1-3是根据要求设计的单片机工作电路。
在设计中,单片机的大部分引脚均直接与CPLD相连,接收其数据和反馈信号,并对其进行控制。
其中0号串行USART连接RS-232芯片以便与外设通信,1号串行USART的RXD1用于控制、接收GPSOEM板提供的时间同步时信息。
另连接有4个发光二极管DS1~DS4和一个外部双端插口J2用于调试。
单片机在工作之前有个复位的过程,一般的复位只需要5ms的时间,只要在单片机的RESET引脚上加上高电平就可进行复位,为了达到这个要求,在外部设计复位电路并采用专用复位芯片。
该芯片的驱动时钟由CPLD分频后经XTAL1管脚输入。
1.2.2时间值记录器CPLD
本系统中的时间值记录器采用CPLD器件作为核心处理电路,用单片机进行控制,能较好地减少外界干扰,并大幅度提高时间分辨率。
CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)复杂可编程逻辑器件,是从PAL和GAL器件发展出来的器件,相对而言规模大,结构复杂,属于大规模集成电路范围。
是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
其基本设计方法是借助集成开发软件平台,用原理图、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送到目标芯片中,实现设计的数字系统。
CPLD是阵列型高密度PLD器件,它们大多数采用了CMOSEPROM/E2PROM和快闪存储器等编程技术,因而具有具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、
价格大众化等特点。
目前主要的半导体器件公司,如Altera、Xilinx、Lattice和AMD公司等,在各自生产的高密度PLD产品中,都具有自己的特点,但总体结构大致是相同的。
大多数CPLD器件中至少包含了三种结构:
可编程逻辑单元、可编程I/O单元和可编程内部连线。
CPLD内部电路尺寸很小,互连线短,分布电容小,且芯片内部受外界的干扰很小。
此外,由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各种逻辑块的互连,因此其设计的电路具有时间可预测性,从而避免了FPGA器件分段式互连结构造成的时序不可完全预测的缺点,这对要求严格同步的测试系统是十分重要的。
依据本系统的设计要求及规模考虑,系统选择选用Altera公司MAXⅡ系列的EPM570型CPLD芯片,Altera推出的MAXII器件系列CPLD架构具有突破性,它是所有已知CPLD芯片中各I/O管脚都实现了最小功耗。
该芯片核心电压3.3V,100脚TQFP封装。
该型芯片包含570个逻辑单元,等效宏单元440个,80个可用的I/O引脚,引脚时延5.5ns,芯片最高工作频率可到200MHz。
图1-4是根据要求设计的CPLD外部工作电路。
图1-4CPLD电路原理图
本系统中,时间值记录器处于模块的中心位置,瞬态信号和GPS脉冲信号均输入其内部,由其完成同步测试数据的精密测量和寄存,并与微处理器交换数据和控制信号。
此外,还可通过JTAG接口向芯片烧入通过编译的逻辑电路程序。
1.2.4其他外围电路
(1)、电源电路
先分析系统对电源的要求。
由于测试系统需要在野外工作,故使用电瓶供电,电瓶电压为12V左右。
输入电压由3种:
CPLD芯片EPM570的内核电压和单片机ATmega16L所需的电压为3.3V、GPS模块M12MT需要供电电压3V以及GPS天线需要5V供电电压。
本课题采用LM2576先将12V转为5V,而3.3V和3V供电电压由5V作为输入,这样大大降低了功耗。
系统电源部分电路如图1-5所示,由LM2576构成的基本稳压电路仅需四个外围器件。
LM2576最大输出电流为3A,完全可以满足系统的需要。
它的输出电压也较为稳定,在输出端再加上1000F的大电容,可以保证输出电流有较大变化时不会使输出电压发生大幅度波动。
这里需要注意的是,为了更好的保护系统,火线和地线都串入保险,并增加二极管D201防止电源加反烧坏电路。
CPLD和单片机芯片输入电压要求3.3V,所以采用使用比较广泛的LM1117,将5V转为3.3V。
整个系统I/O口的工作电平为3.3V。
GPS模块采用线性的DC-DC芯片LDI117-3.0,它能为GPS提供一个较稳定的3V电压。
由于采用5V作为其输入,降低了功耗,也降低了LM1117和LDI117的发热量,可以在PCB图上为其底部加上较大面积的焊盘就
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